CN1180286C - 倾斜下电极结构的扭臂式静电驱动光开关及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有倾斜下电极结构的扭臂式静电驱动微机械光开关及其制作方法。光开关由扭臂1、微反射镜2、上电极3、绝缘层4、倾斜下电极5组成。其中，微反射镜的镜面和上电极相垂直，扭臂、微反射镜和上电极为一体结构，在同一硅片上制作；倾斜下电极平面相对于上电极平面向下倾斜一定的角度x°，下电极在(111)硅片上制作，硅片的法线方向为由<111>方向向最近的<110>方向偏转一定角度x°具有倾斜下电极结构的扭臂式静电驱动光开关在与平面下电极结构的光开关具有相同结构尺寸的情况下，可以使静电驱动电压有明显的下降。本发明所述具有倾斜下电极结构的扭臂式静电驱动光开关采用光刻、反应离子刻蚀、湿法化学法腐蚀等常规技术制备。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件领域，涉及一种具有倾斜下电极结构的扭臂式静电驱动微机械光开关及其制作方法。
背景技术
随着光通信和光网络技术的发展，作为光交换核心器件的光开关的地位也越来越重要，MOEMS(微光电子机械系统)光开关由于具有插入损耗和串话小、消光比高、稳定性好、透明性和可扩展性好、易于集成、偏振不灵敏等优点，将成为核心光交换器件的主流。MOEMS光开关的驱动方式主要有热驱动、电磁驱动和静电驱动等。热驱动的优点是驱动力和位移较大，缺点是升温速度和散热速度之间矛盾不易解决，响应速度较慢。电磁驱动由于要制作线圈，驱动结构的尺寸较大，同时还存在电磁干扰等问题。因此，静电驱动是目前MOEMS光开关中最广泛采用的一种驱动方式。
常见的静电驱动方式有：梳状电极、SDA(scratch drive actuator)、悬臂驱动和扭臂驱动等。梳状电极和SDA驱动精度高、开关动作快、驱动电压低，但是结构较复杂。悬臂和扭臂驱动的结构简单、工艺上容易实现，但驱动电压较高。
如附图1所示，为MOEMS光开关中常见的普通扭臂结构，当结构尺寸为W1＝700μm，L＝2000μm，d＝60μm，w＝12μm，l＝600μm，t＝15μm时，若上电极端部向下电极的位移为28μm，则静电驱动电压为60V。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有倾斜下电极结构的扭臂式静电驱动光开关及其制作方法，从而有效地降低使微反射镜从光通路移开的驱动电压。
实验表明，如附图1所示的MOEMS光开关扭臂和上电极的结构尺寸都会影响使微反射镜从光通路移开的静电驱动电压，而静电驱动电压对扭臂的厚度t最敏感。当扭臂的厚度t每降低1μm时驱动电压就会降低5V，但考虑到整个器件的结构尺寸和强度的限制，扭臂厚度及上电极尺寸等参数的选择都要受到一定的制约。
实验还表明，驱动电压随上下电极之间的初始间隔d的减小而降低，因此也可以通过减小上下电极之间的初始间隔d来降低驱动电压。但当上下电极间距离过小时，上电极向下偏转的角度不能很大，微反射镜就不能从光通路中有效地移开，从而起不到光开关的作用。于是我们通过改变下电极的形状，使下电极平面相对于上电极平面有一个向下的最初倾角。这样，相当于减小上下电极间距离，可以有效地降低驱动电压，同时也能够保证上电极有足够的运动空间，使光开关正常工作，这就是本专利的设计思想与实验依据。
本发明的MOEMS光开关由扭臂、微反射镜、上电极、绝缘层、倾斜下电极组成。其中，微反射镜的镜面和上电极相垂直，扭臂、微反射镜和上电极为一体结构，在同一硅片上制作；倾斜下电极平面相对于上电极平面向下倾斜一定的角度，倾斜角度与上下电极的结构尺寸及反射镜需要移动的距离有关。
作为本发明的优选实施方式，下电极在(111)硅片上制作：选取偏x°的(111)硅片作为下电极，切片方位如附图6所示，要求切片的法线方向y为由<111>方向向最近的<110>方向偏转x°。
在没有电压输入时，上电极的位置不动，微反射镜处在光通路上，从入射光纤发出的光被微反射镜反射，改变方向后进入到镜面同一侧的出射光纤中，这是光开关的反射状态。当上电极和下电极之间有电压输入时，在静电力的作用下，上电极带动微反射镜移开光通路，入射光沿直线传播进入前方的出射光纤，这是开光的直通状态。
图5给出了下电极倾角为3°，W1＝700μm，L＝2000μm，d＝60μm，w＝12μm，l＝600μm，t＝15μm时，平面下电极和倾斜下电极时的驱动电压v与悬梁(上电极)端部向下位移z之间的实验关系曲线，从图中可以看出，若上电极端部向下电极的位移为28μm，则平面下电极时的驱动电压接近60V，而倾斜下电极的电压低于32V，可见，改变下电极的倾角后，驱动电压有明显的降低。由此可见，具有倾斜下电极结构的扭臂式静电驱动光开关可以在与平面下电极结构的光开关具有相同结构尺寸的情况下，使静电驱动电压有明显的下降。当相应改变上电极的结构尺寸，还可以进一步降低静电驱动电压。
本发明所述具有倾斜下电极结构的扭臂式静电驱动光开关采用光刻、反应离子刻蚀、湿法化学法腐蚀等常规技术制备，具体来说包括如下步骤：
1.选取(100)或(110)硅片作为上电极，双面抛光，双面低压化学汽相淀积方法(LPCVD)淀积氮化硅作为腐蚀掩模层；
2.光刻、反应离子刻蚀形成制作微反射镜和自对准光纤槽的掩模；
3.各向异性湿法腐蚀硅片制作微反射镜和自对准光纤槽，微反射镜面与上电极相垂直；
4.反应离子刻蚀上电极和扭臂结构；
5.选取偏x°的(111)硅片作为下电极。切片方位如附图6所示，要求切片的法线方向y为由<111>方向向最近的<110>方向偏转x°；
6.双面低压化学汽相淀积方法(LPCVD)法淀积生长氮化硅作为腐蚀掩模层；
7.光刻、反应离子刻蚀氮化硅形成制作下电极的掩模；
8.各向异性湿法化学腐蚀制作出具有倾斜角度为x°的下电极；
9.制作上、下电极的金属层；
10.生长二氧化硅或氮化硅，作为上下电极之间的绝缘层；
11.将上、下电极键合组装；
12.反射镜面上蒸镀过渡层和反射层。
附图说明
图1：微机械光开关中常见的普通扭臂结构；
图2：具有倾斜下电极结构的扭臂式静电驱动光开关；
图3：微机械光开关的倾斜下电极结构；
图4：采用各向异性腐蚀技术制作的下电极形状示意图；
图5(a)：平面下电极的驱动电压v与悬梁端部位移z之间的关系曲线；
图5(b)：倾斜下电极的驱动电压v与悬梁端部位移z之间的关系曲线；
图6：偏一定角度的(111)硅片的选取及切片示意图。
如图2及图3所示，各部分名称为：扭臂1、微反射镜2、上电极3、绝缘层4、倾斜下电极5。其中，扭臂1、微反射镜2和上电极3在同一硅片上制作；倾斜下电极是在偏一定角度的(111)硅片上制作的。当上电极3和下电极5之间有电压输入时，静电力矩和扭臂的恢复力矩共同作用下，上电极带动微反射镜向下移动。
制备实施例：
1.选取(100)或(110)硅片作为上电极，双面抛光，双面低压化学汽相淀积方法(LPCVD)淀积100～200纳米氮化硅作为腐蚀掩模层；
2.光刻、反应离子刻蚀形成微反射镜和自对准光纤槽的掩模；
3.使用浓度为30～50％的氢氧化钾(KOH)溶液在60～80℃下制作微反射镜和自对准光纤槽，微反射镜的厚度为3～5微米，长度和高度均为100～200微米，上电极的厚度为10～30微米，微反射镜面与上电极相垂直；
4.反应离子刻蚀制作上电极和扭臂结构，上电极的长度为1000～3000微米，宽度为500～800微米，扭臂宽度为10～15微米，长度为500～700微米，反应离子刻蚀所用气体为SF6和氩气；
5.选取偏3°的(111)硅片作为下电极。切片方位图如附图6，要求切片的法线方向y为由<111>方向向最近的<110>方向偏转3°；
6.双面低压化学汽相淀积方法(LPCVD)淀积生长氮化硅100～200纳米作为腐蚀掩模层；
7.光刻、使用CF4和O2反应离子刻蚀氮化硅，形成倾斜下电极图形；
8.使用浓度为30～50％的氢氧化钾(KOH)溶液在60～80℃下腐蚀一定的深度，制作出倾斜3°的下电极，如附图3及附图4所示；
9.在上电极的下面和下电极的上面蒸发或溅射100～200纳米厚的铝膜；
10.在下电极铝膜上生长二氧化硅或氮化硅，作为上下电极之间的绝缘层；
11.将上、下电极键合组装；
12.反射镜面上蒸镀铬20～50纳米和金200～500纳米，作为过渡层和反射膜。
Claims (4)
1、一种具有倾斜下电极结构的扭臂式静电驱动光开关，由扭臂(1)、微反射镜(2)、上电极(3)、绝缘层(4)和下电极(5)组成，扭臂(1)、微反射镜(2)、上电极(3)在同一硅片上制作，其特征在于：下电极(5)的平面相对于上电极(3)的平面向下倾斜一定角度。
2、如权利要求1所述的具有倾斜下电极结构的扭臂式静电驱动光开关，其特征在于：下电极(5)是在(111)硅片上制作，硅片的法线方向为由<111>方向向最近的<110>方向偏转一定角度。
3、权利要求1所述的具有倾斜下电极结构的扭臂式静电驱动光开关的制作方法，包括如下步骤：
(1)选取(100)或(110)硅片作为上电极，双面抛光，双面低压化学汽相淀积方法淀积氮化硅作为腐蚀掩模层；
(2)光刻、反应离子刻蚀微反射镜和自对准光纤槽掩模，微反射镜面与上电极相垂直；
(3)各向异性湿法腐蚀硅片制作微反射镜和自对准光纤槽；
(4)反应离子刻蚀上电极扭臂结构；
(5)选取偏一定角度x°的(111)硅片作为下电极，硅片的法线方向为由<111>方向向最近的<110>方向偏转一定角度x°；
(6)双面低压化学汽相淀积方法淀积生长氮化硅作为腐蚀掩模层；
(7)光刻、反应离子刻蚀氮化硅；
(8)各向异性湿法化学腐蚀制作出具有倾斜角度x°的下电极；
(9)制作上、下电极的金属层；
(10)生长二氧化硅或氮化硅，作为上下电极之间的绝缘层；
(11)将上、下电极键合组装；
(12)反射镜面上蒸镀过渡层和反射层。
4、如权利要求3所述具有倾斜下电极结构的扭臂式静电驱动光开关的制作方法，其特征在于：各向异性湿法腐蚀液是浓度为35～50％的氢氧化钾溶液，腐蚀温度在60～80℃间。
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